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低溫學的奧秘──《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2015/12/31 ・3171字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 547 ・八年級
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Photo credit: ChefSteps @Flickr

在極低的溫度下,物質會開始出現奇特而神祕的性質。

低溫學是研究極低溫度的一門科學。這個領域的研究目標是了解如何產生與維持絕對溫度123度或是攝氏-150度以下的低溫,同時研究在這種低溫環境下,各種物理、化學及生物作用會產生什麼變化。

分子的隨機運動會產生熱,而溫度只要下降,分子運動就會開始變慢。但根據熱力學定律,這種情況並不會永遠持續下去,一旦到達某個極限,分子就會完全停止熱運動;這個極限被稱為絕對零度或0K(相當於攝氏-273.15度),也就是可能達到的最冷溫度。

當物質的溫度接近絕對零度時,其性質會大幅改變,例如氮氣與氧氣等永久氣體達到絕對溫度數十度時會變成液體,可作為太空船燃料,或用於快速冷卻食物以供保存,甚至能應用在外科手術,移除受損細胞;鈮合金(niobium alloy)降至接近絕對零度時,會完全失去電阻而成為超導體,能用來製造強大的電磁鐵,將次原子粒子(subatomic particle)加速到接近光速。而當溫度降至絕對溫度2.19度,甚至是更低時,液態氦會失去黏度而變成超流體(superfluid),超流體的特性非常神奇,能夠沿著玻璃燒杯往上流。

讓我們一同探索低溫學的奧祕,深入瞭解這個正將科學極限推向另一個境界的學問。

用低溫電子學為歐洲核子研究組織保冷

通過導體的電流會受阻於物質的電阻,但是當某些金屬的溫度下降時,其電阻也會跟著降低。在某些情況下,導體處於超低溫時,其電阻會突然降至零,因而變成超導體。

歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC)之中導引粒子束運行的主要電磁鐵被液態氦冷卻至絕對溫度1.9度(相當於攝氏-271.3度),這比在外太空還冷,因此電阻會完全消失,以防止能量轉為熱能逸失。

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號),全見版請點擊本圖放大。

冰凍死人

低溫學vs人體冷凍技術

談到低溫學(cryogenics),許多人腦中浮現的第一個畫面是屍體被保存在冷凍櫃,期待有朝一日能復活。科幻片讓這種想法大為風行,而且美國已有專門機構負責進行這種服務,但冷凍屍體的技術目前仍非常缺乏科學根據。

科學家很謹慎地將低溫學與冷凍屍體的過程──也就是所謂的人體冷凍技術(cryonics)──加以區隔;在準備接受人體冷凍技術的病人死亡後,他的血液將被一些化學混合液取代,目的是在冷凍過程中保護脆弱的細胞。

完成以上的程序後,會用液態氮冷凍人體,並將人體放入儲存槽內。負責進行人體冷凍的公司不須經過科學或醫學認證,冷凍過程中的某些工作甚至可能由志工進行。

冰凍人體確實是個令人振奮的構想,但目前還沒有證據顯示這種人體冷凍技術能夠奏效。

提供火箭燃料

低溫學的主要應用範圍之一是太空旅行;第一部使用低溫燃料推動的火箭是美國航太總署(NASA)的半人馬座火箭(Centaur)的末段引擎,於1963年成功發射。

最常用的成對低溫燃料是液態氫(LH2),而液態氧(LO2 或LOX)則用來助燃。氫氣是很輕的氣體,在氧氣中能完全燃燒,將這兩種氣體冷卻至極低溫後,可將更多燃料擠入燃料槽。

燃料槽在太空飛行期間會曝露在不同的熱源之下,像是引擎廢氣、太空船摩擦大氣層產生的熱,還有來自太陽的熱。為了讓燃料保持液態,燃料槽不但要有良好的絕熱能力,同時也要能忍受內部液體燃料的極端低溫。

一般而言,這些燃料都裝載於重金屬槽,不過NASA與波音公司都致力於發展革命性的綜合材質燃料槽,將比標準低溫槽輕30%。未來這些燃料槽將能攜帶更多燃料,使太空船能飛到太空中更遠的地方。

讓金屬更堅韌

當金屬從液態冷卻成為固態時,會形成晶體結構,個別原子也會排列成有規律的晶格,但這種方式通常會產生缺陷。傳統上會用熱處理來補救,也就是讓金屬再變回液體,以減低壓力、填補空隙,但這種工序並不夠完全。只要運用低溫學,熱處理鋼無法補救的缺陷與應力都能被去除。

熱處理之後,金屬被緩慢冷卻至接近絕對零度;這個工序允許結構內部的特定成分移動,以填補微觀缺陷,使結構更為均勻。這種方式能減低應力,產生更緊密、更具韌性的金屬。經過冷處理的金屬能用來製造高爾夫球桿與棒球棒;金屬的結構越緊密,振動越小,也就會傳遞越多能量給球。

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號),全見版請點擊本圖放大。

治療運動傷害

並非所有低溫冷凍技術都已發展成熟,如同體育界最近才興起所謂的「全身性低溫療法」(whole-body cryotherapy)。過去是用冰敷或浸泡冷水來治療運動傷害,而這種新療法則是透過讓患者在低溫室裡冷卻全身,以減輕運動傷害、肌肉與關節疼痛或是關節炎等症狀;這種療法奠基於日本在1970年代的一項研究。和水相較之下,空氣的導熱能力較差,因此與傳統泡冷水的方法比起來,待在低溫室時,身體的核心溫度受到影響的機率較低。

患者在進入以氮氣冷卻的房間後,會曝露在低於攝氏-100度的環境下約三分鐘。患者的四肢有衣服、手套、襪子、面罩和內衣覆蓋,但其他部位的皮膚就會曝露在極低溫之下。此時身體的自然反應是切斷對皮膚的血液供應,並將血液導向核心部位,讓熱量的流失降至最低,並維持適當的體溫。這種療法的副作用是讓大腦釋出稱為腦內啡的天然止痛劑,使人忘卻疼痛、感到愉快。

治療關節炎

冷療(Cryotherapy)的研究是為了治療關節炎之類的病症。曝露在低溫下可減緩神經傳導,透過降低肌梭的反應,將有助於減低肌肉痙攣;這種現象在生活中能輕易驗證,只要試想當你從天寒地凍的戶外進入室內後,嘗試用凍僵的手指解開你的上衣鈕扣。

寒冷的溫度也被認為能降低發炎關節裡具破壞性的酵素的活性,這種酵素叫做膠原酶,膠原酶會破壞骨頭上具保護功能的膠原蛋白軟骨。

針對許多關節功能失調病患的研究顯示,冷療能暫時降低患者的疼痛感,並維持大約90分鐘,讓病患有空檔在這段時間內進行物理療法或是其他介入療法,否則患者在治療過程中可能會感到非常不舒服。由此可知,即使冷療不具有長期療效,但是在與其他療法結合之後,仍然有顯著的醫療效益。

冷療手術

極低溫帶來的破壞作用已被應用於醫學治療;液態氮的極低溫度現今普遍用在消除疣或癌細胞等異常細胞。

這種療法的進行方式會根據不同狀況而有些微差異,可能會利用棉花棒、噴槍,或是名為冷凍探頭(cryoprobe)的中空管將液態氮直接噴灑於身體受感染的部位。

冷療手術會迅速將受傷的組織冷凍,並消滅掉異常細胞。這種療法比藥物治療更為精確,可能傷及的周圍組織和疼痛感也會比外科手術更小。

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號),全見版請點擊本圖放大。

超低溫保存法

在極低溫之下,生物程序會近乎停止;缺乏熱能導致酵素活性趨緩,活細胞幾乎能被無限期保存。

不過,活細胞的超低溫保存準備工作絕非易事。細胞的微觀結構相當脆弱,因此可能在低溫時被內部膨脹的水分脹破、變成碎片;當水形成冰後,溶解出的離子、鹽分和其他分子也會濃縮,擾亂細胞內原本的化學平衡。

低溫保護劑(cryoprotectant)這種化學物會被用來保護細胞,以避免上述的情況發生;其中的甘油、二甲基亞碸(dimethyl sulfoxide,簡稱DMSO)或糖會被用來取代水分,阻止冰晶形成,或改變其形狀與大小。接著會用液態氮迅速冷卻細胞,使其越過所謂的玻璃轉化溫度(glass transition temperature),之後水分就會凍結成一種像玻璃而不像冰的固體,然後這些細胞就能安全地貯存在低溫的液態氮蒸汽裡。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號)

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一生可以聆聽的聲音總量是註定的?戴上你的聽力計算機!

雅文兒童聽語文教基金會_96
・2022/05/17 ・3915字 ・閱讀時間約 8 分鐘
  • 文/黃上維 聽力師|雅文兒童聽語文教基金會

「早上跑了五圈操場,晚上吃個雞排加珍奶應該還好吧……」、「昨天買了一雙限量版精品鞋,這個月就不吃晚餐了……」,生活中充滿算數題,來決定我們的生活習慣與行為,其實,在聽力學領域中,也有類似概念哦!聽的刺激不夠,聽覺系統解析的功能會逐漸衰退;聽的刺激太多,聽覺系統也會感到疲勞或損傷。到底聽多少,才能剛剛好?今天就帶你揭密聆聽的守則。

世界衛生組織(World Health Organization,WHO)統計全球已超過 5% 人口有失能性聽力損失。然而,多數聽力損失可被預防,調查發現將近 50% 的年輕人使用過高的音量聆聽個人音訊設備,約 40% 經常去娛樂場所的人(包括演唱會、運動賽事)則暴露在過久的高音量下[1]。 WHO 為此著手訂定「安全聆聽」的保健策略,如同醫師及藥師給藥時會算劑量,安全聆聽需要計算聲音暴露容許量(sound allowance)。

聽得「過久」或「過大聲」都會造成傷害

聲音是一種能量,基於相等能量原理(equal energy principle),無論能量在時間上的分佈如何,相同聲能的聲音會造成一樣的永久性聽力變化,表示「長時間聆聽較低的音量」會產生與「短時間聆聽非常的大音量」相同的影響。

WHO 提出兩種標準,均以七天作為一周期[2]。當聲音能量加倍(以 3 分貝為級距),容許的時間要減半,如下圖所示,健康成人適用一般標準;「兒童、耳毒性藥物服用史」等對噪音更為脆弱的族群則適用敏感標準,其將風險起始點下修至 75 分貝(dBA)的聲音每周聆聽 40 小時。此外,視障、認知困難者及老年人,考量聽力一旦損失,對其產生的負向影響將更大,也應選用較嚴謹的標準[3]

WHO 聲音暴露容許量。分貝越高,容許時間越少。圖/作者,製作自參考資料 2

聽起來不難嗎?生活中的聲音有多大聲

當我們在身處安靜室內,隔著一張桌子與朋友聊天時,說話音量的分貝就已經有 55-60 分貝(dBA);此時若環境變得吵雜,我們也會不自覺提高說話音量,分貝來到 65 分貝,如此可見生活中的大聲音是無所不在。美國 3M 公司團隊針對超過 1700 種職業、娛樂、社區等噪音源進行實際量測或整理文獻,發表了各項分貝數值[4],本文整理生活常見情境,並將分貝範圍達 75 分貝以上者,標為警示音量。

常見聲音音量分布。淺色底表示範圍,深色底表示平均值。圖/作者,製作自參考資料 4

現在我們來將分貝數對應 WHO 的「成人聲音暴露容許量」,以果汁攪拌機為例,平均音量是 82 分貝,一周應避免超過 25 小時的從旁聆聽,這似乎是件輕鬆的事!(除非你家開果汁店那就另當別論);然而交通機車噪音平均達到 98 分貝,一周應避免超過 40 分鐘的騎乘,對被譽為「機車王國」的台灣而言,似乎就沒有那麼容易。

隱形聽力殺手:環境噪音及娛樂噪音

交通機車噪音除了來自周遭車輛與自體引擎外,氣流吹向安全帽框所產生的風切聲(wind noise)也是一來源,因此噪音量與車速、安全帽種類都有關。早在 30 年前就有研究發現,當騎乘車速約莫每小時 50 公里,佩戴全罩式安全帽的耳邊噪音量較高,為 95 分貝、佩戴 3/4 罩安全帽的耳邊噪音量較低,為 89 分貝;隨著車速提高至約莫 80 公里,兩者分別上升至 103、98 分貝(Ross B.C. , 1989)。看來,機車族不僅要思考哪種安全帽可以保護頭部安全,還得思考該如何在騎車時也保護耳朵的健康。

騎個車也可能會讓自己過度暴露在噪音中?圖/pexels

此外,隨著 3C 產品與藍芽技術推層出新,聽穿戴科技(hearable tech)結合音樂通話、健康追蹤、導航等需求,已成為「人耳兩機」的時尚趨勢,但常見智慧型手機連接耳機的最大輸出音量高達 113.1 分貝[6],當我們使用耳機聆聽,更應當留意音量大小,特別是周遭環境較吵雜時,若為了蓋過捷運、鐵路等交通噪音而不自覺加大音量,結果恐怕得不償失。

「相等能量原理」不是算命神器,你的聽力也要靠自己努力

噪音性聽損實為多重致因、複雜表徵的疾病,不單與聲音大小有關,也不單只損害「察覺」聲音的能力。首先是個體的易感性(susceptibility),基因變異或高血脂將使個人對噪音的暴露更脆弱,而營養均衡的飲食或自體生成的熱休克蛋白(能維持細胞活性、幫助細胞修復的蛋白質)則可提高個人的保護力[7][8];再者是細胞損傷的針對性,噪音導致的暫時性聽損雖有機會恢復,但長期來看恐加速與老化相關的聽損,且噪音對聽覺神經結構的破壞,將使「分辨」聲音的能力也退步[9]。因此雖單靠相等能量原理難以完美詮釋終身的噪音危害,但作為基礎的估算仍有其價值。

善用工具!落實安全聆聽

為了盡可能減少噪音性聽損的風險,許多防音防護具(hearing protection devices)已經上市,除了一般通用的耳塞、耳罩,依照不同款式與材質、正確配戴與否,所能帶來的噪音衰減評比值(Noise Reduction Rating,NRR)在 0-35 分貝間[10];臺灣亦有不少助聽器公司,能由專業聽力師為我們取下專屬耳型(ear impression),再製作成客製化耳塞,更貼合個人的耳道以提高舒適。

在特殊製防音具中,分為基於音量水平(level-dependent)或基於頻率均等的衰減(uniform attenuation)。音量水平僅針對高音量衰減,而能保留安靜情境中較低音量的語音溝通需求,通常可應用在營造、紡織、航空等高噪職業。簡單來說,這樣的技術可以過濾機械運作時產生的大聲噪音,讓作業員較輕鬆聽到其他同事的說話聲。均等的衰減技術則考慮傳統耳塞對高頻率音的衰減大於低頻率音,因此在設計上利用聲學特性對高頻音產生額外共振,這樣就能留有貼近原音的清晰音質,可供音樂家、音響工程師,及講求高音質的大眾使用[11]

客製化防噪耳塞,結合內部音管做濾音功能,預期能達到頻率均等的衰減。圖/作者

人人在手的安全聆聽幫手

響應 WHO 與國際電信聯盟(International Telecommunication Union)在 2019 年提出的安全聆聽設備標準[2],許多手機與耳機製造商已開始著手在軟硬體端導入 WHO 的聆聽標準,可由「設定」內的「聲音與觸覺回饋/音效與震動」或下載應用程式做設定,功能雖因廠牌有異,但多涵蓋下述項目:

  1. 耳機高音量通知:當聆聽超過聲音累積允許量時發出通知提醒。
  2. 降低耳機高音量:選定設備最高音量限制,系統會分析耳機音訊並降低任何超出的音訊。
  3. 即刻檢視耳機音量:在聆聽音訊時,查看當前的音量變化。
  4. 個人化音訊調節:輸入專屬的聽力圖,系統能根據個人在不同頻率的聽力程度客製化調整音訊,使聆聽感受更清晰,或許你就能稍微調降整體音量,延長聆聽的允許時間。
  5. 累積耳機音量:部分根據耳道聲學,自動計算一段時間的耳內音量,標示使用狀況屬於正常或大聲;或將聲音暴露容許量以百分比告知每日/每周聆聽的餘額。
  6. 累積環境音量:自動計算一段時間的環境音量,標示正常或大聲;或將聲音暴露容許量以百分比告知每日/每周接觸的餘額。
為了一生的聽覺健康,記得落實安全聆聽的守則。圖/pexels

噪音對健康的影響不止於聽覺,也與睡眠障礙、新陳代謝與心血管疾病、兒童的認知表現下降有關[12]。因此不論先天的聽力基礎如何,聽力保健是人人都要關心的健康議題。大家不妨現在就拿起手機與耳機、開始設定,讓智慧 3C 發揮「智慧生活」的價值,協助你我「落實安全聆聽」吧!

參考資料

  1. World Health Organization. (2021). World Report on Hearing, 40,65. Available at:https://www.who.int/publications/i/item/world-report-on-hearing
  2. World Health Organization. (2019). Safe listening devices and systems: a WHO-ITU standard, 15-16. Available at:https://www.who.int/publications/i/item/9789241515276
  3. Berglund, Birgitta, Lindvall, Thomas, Schwela, Dietrich H & World Health Organization. Occupational and Environmental Health Team. (‎1999)‎. Guidelines for community noise, 35. Available at:https://apps.who.int/iris/handle/10665/66217
  4. Elliott H. Berger, Rick Neitzel, & Cynthia A. Kladden. 3M Personal Safety Division. (2015). Noise Navigator: Sound Level Database, 39-46 Available at:https://multimedia.3m.com/mws/media/888553O/noise-navigator-sound-level-hearing-protection-database.pdf
  5. Ross B. C. (1989). Noise exposure of motorcyclists. The Annals of occupational hygiene, 33(1), 123–127. https://doi.org/10.1093/annhyg/33.1.123
  6. Kim, G., & Han, W. (2018). Sound pressure levels generated at risk volume steps of portable listening devices: types of smartphone and genres of music. BMC public health, 18(1), 481. https://doi.org/10.1186/s12889-018-5399-4
  7. Le, T. N., Straatman, L. V., Lea, J., & Westerberg, B. (2017). Current insights in noise-induced hearing loss: a literature review of the underlying mechanism, pathophysiology, asymmetry, and management options. Journal of otolaryngology – head & neck surgery, 46(1), 41. https://doi.org/10.1186/s40463-017-0219-x 
  8. 張寧家(2011)。 影響台灣勞工噪音性聽力障礙易感性相關因子之研究。高雄醫學大學醫學研究所博士學位論文。 
  9. Wu, P. Z., O’Malley, J. T., de Gruttola, V., & Liberman, M. C. (2021). Primary Neural Degeneration in Noise-Exposed Human Cochleas: Correlations with Outer Hair Cell Loss and Word-Discrimination Scores. The Journal of neuroscience, 41(20), 4439–4447. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3238-20.2021
  10. Centers for Disease Control and Prevention, USA. (December 11, 2018). How Do I Prevent Hearing Loss from Loud Noise? Retrieved from https://www.cdc.gov/nceh/hearing_loss/how_do_i_prevent_hearing_loss.html
  11. Patricia A. Niquette. (Mar 7, 2007). Uniform Attenuation Hearing Protection Devices. Retrieved from https://hearingreview.com/hearing-products/uniform-attenuation-hearing-protection-devices
  12. Basner, M., Babisch, W., Davis, A., Brink, M., Clark, C., Janssen, S., & Stansfeld, S. (2014). Auditory and non-auditory effects of noise on health. Lancet, 383(9925), 1325–1332. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(13)61613-X

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雅文兒童聽語文教基金會_96
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